果膠質(zhì)多糖是植物細(xì)胞壁的重要組分，不僅在植物生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)傳導(dǎo)和防御反應(yīng)等生理過程中發(fā)揮著重要作用，也與植物的生物量和纖維生物質(zhì)的酶解轉(zhuǎn)化效率密切相關(guān)。由于果膠的組成與結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，且長(zhǎng)期以來缺乏理想的研究體系，使得果膠代謝調(diào)控方面的研究進(jìn)展較為緩慢。目前雖已鑒定出多個(gè)參與果膠合成的關(guān)鍵基因，但有關(guān)果膠合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
MUM4與GATL5是已知的果膠合成酶基因，有研究表明MUM4與GATL5的表達(dá)受到多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，包括Homeobox轉(zhuǎn)錄因子GL2與WRKY轉(zhuǎn)錄因子TTG2等(Usadel et al., 2004; Western et al., 2004; Kong et al., 2013)。但這些轉(zhuǎn)錄因子與果膠合成酶基因之間是否存在直接的轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系，還尚待解析。
近日，青島能源所李勝軍研究員帶領(lǐng)的能源植物改良與利用研究組在The Plant Cell期刊在線發(fā)表了題為A DE1 BINDING FACTOR 1–GLABRA2 module regulates rhamnogalacturonan I biosynthesis in Arabidopsis seed coat mucilage的研究論文，闡釋了轉(zhuǎn)錄因子DF1與GL2通過互作共同激活果膠合成酶基因MUM4與GATL5表達(dá)的分子機(jī)制，并深入解析了包括DF1、GL2與TTG2在內(nèi)的果膠合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)Trihelix家族轉(zhuǎn)錄因子DF1的缺失突變導(dǎo)致果膠質(zhì)多糖RG-I合成顯著減少。蛋白互作分析表明DF1與GL2互作。df1 gl2雙突變體呈現(xiàn)比單突變體更劇烈的RG-I合成缺陷表型?；虮磉_(dá)分析發(fā)現(xiàn)DF1與GL2共同調(diào)控MUM4與GATL5的表達(dá)。ChIP、EMSA、Y1H等實(shí)驗(yàn)表明，DF1直接結(jié)合MUM4啟動(dòng)子中的GT3 box元件，GL2直接結(jié)合MUM4與GATL5啟動(dòng)子中的L1 box元件。通過一系列轉(zhuǎn)錄調(diào)控分析以及突變體背景的ChIP分析，研究者解析了DF1與GL2共同調(diào)控MUM4與GATL5表達(dá)的分子機(jī)制：DF1與MUM4啟動(dòng)子中GT3 box的結(jié)合依賴于GL2與L1 box的結(jié)合，且DF1對(duì)GL2的轉(zhuǎn)錄激活活性有促進(jìn)作用；類似地，雖然GATL5啟動(dòng)子中不存在DF1的結(jié)合位點(diǎn)，但DF1通過與GL2互作結(jié)合GATL5啟動(dòng)子，并增強(qiáng)GL2對(duì)GATL5的轉(zhuǎn)錄激活。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)DF1與GL2的表達(dá)均受到TTG2的直接調(diào)控，TTG2通過結(jié)合DF1與GL2啟動(dòng)子中的W box元件從而抑制DF1的表達(dá)，激活GL2的表達(dá)。有趣的是，DF1亦能直接抑制TTG2的表達(dá)。因此，在轉(zhuǎn)錄水平上DF1與TTG2之間存在一個(gè)負(fù)反饋環(huán)。
綜上所述，該研究系統(tǒng)深入地解析了果膠質(zhì)多糖RG-I合成的精細(xì)調(diào)控機(jī)制，并由此構(gòu)建了RG-I合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為今后植物果膠質(zhì)多糖的定向調(diào)控奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
青島能源所徐艷副研究員為論文第一作者，青島能源所胡瑞波研究員與青島農(nóng)業(yè)大學(xué)孔英珍教授為論文通訊作者。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)周功克教授和青島能源所李勝軍研究員參與了研究工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東能源研究院創(chuàng)新基金和山東省人才項(xiàng)目等資助。
